基于BIM技術的綠色建筑預評估系統研究

張 雷 姜 立 葉敏青 于貴有

(中國建筑科學研究院建筑工程軟件研究所，北京 100013)

基于BIM技術的綠色建筑預評估系統研究

張 雷 姜 立 葉敏青 于貴有

(中國建筑科學研究院建筑工程軟件研究所，北京 100013)

21世紀人類共同的主題是可持續發展，對于城市建筑來說亦必須由傳統高消耗型發展模式轉向高效綠色型發展模式，綠色建筑正是實施這一轉變的必由之路，是當今世界建筑發展的必然趨勢。本文參照綠色建筑設計相關規范要求，提出利用計算機技術建立BIM建筑信息模型，對建筑空間幾何信息、建筑空間功能信息、建筑材料以及設備等各專業相關數據信息進行數據集成與一體化管理，為綠色建筑設計相關計算與評估提供必要的分析依據;利用三維數據信息可視化技術實現了以《綠色建筑評價標準》為基礎的綠色建筑評價功能，為設計師提供了一個得力的軟件工具。

綠色建筑;BIM;數據信息可視化;技術指標評估

1 前言

我國目前正處于工業化和城市化快速發展階段，在未來20年具有保持GDP快速增長的潛力，但也面臨著能源和資源供應緊缺的壓力。我國政府已確立了以節能和提高能源和資源利用率為核心的發展戰略。在建設領域，推進建筑節能，發展綠色建筑是實施我國能源和資源發展戰略的重要手段。我國與發達國家相比，人均占有能源量遠不及世界平均水平，單位面積能耗和人均能源消費的總量是發達國家的3倍，能源消費總量已居世界第二，而且33%的資源利用效率僅相當于發達國家水平的50～60%，比發達國家落后20多年。據不完全統計，我國現階段建筑耗能量已占社會總耗能的30%，建筑業基本上還是一個高能耗、高物耗、高污染的產業，影響著中國城市的可持續發展，進而影響經濟的可持續發展。建筑節能刻不容緩，應置于社會發展的重要地位。

綠色建筑是世界建筑業由黑色產業轉向綠色可持續發展產業的重要途徑。通過對研究綠色建筑理論和技術的研究與實施，推動綠色建筑在中國的發展，促進中國建筑業的綠色可持續發展。本文參照綠色建筑設計相關規范要求，提出利用計算機技術建立BIM建筑信息模型，對建筑空間幾何信息、建筑空間功能信息、建筑材料以及設備等各專業相關數據信息進行數據集成與一體化管理，為綠色建筑設計相關計算與評估提供必要的分析依據;利用三維數據信息可視化技術，在規劃方案分析與優化、節能數據分析、建筑遮陽與太陽能利用、采光與照明、室內自然通風、綠化環境、聲環境、雨水采集與利用等方面建立多角度的生態技術指標評估與輔助決策機制，實現合理利用土地、材料等有限資源，降低能源消耗，解決建筑對城市與自然環境及氣候的影響，降低聲、光、風等各類污染，同時通過對生態環境指標的分析與評估，提出降低能耗與合理有效利用自然能源的解決方案。

2 綠色建筑評估

國外綠色建筑是從建筑節能起步的。在建筑節能取得進展的同時，伴隨著可持續發展理念的產生和健康住宅概念的提出，發達國家又把視野擴展到建筑全過程的資源節約、改善室內空氣質量、提高居住舒適性、安全性等更廣的領域。綠色建筑在發達國家的發展軌跡到了今天，已建立了綠色建筑評估系統。90年代以來，世界各國都發展了各種不同類型的綠色建筑評估系統，為綠色建筑的實踐和推廣做出了重大的貢獻。目前國際上發展較成熟的綠色建筑系統有英國BREEAM(Building Research Establishment Environmental Assessment Method)、美國LEEDTM(Leadershipin Energyand Environmental Design)、多國 GBC(Green Building Challenge)等，這些體系的架構和應用，成為其他各國建立新型綠色建筑評估體系的重要參考。

BIM代表建筑信息模型(Building Information Modeling)，BIM技術是繼CAD(計算機輔助設計)技術后出現的建設領域的又一重要的計算機應用技術。BIM的最重要意義，在于它重新整合了建筑設計的流程，其所涉及的建筑生命周期管理 (BLM)，又恰好是綠色建筑設計的關注和影響對象。

可以說，當我們擁有一個信息含量足夠豐富的建筑信息模型的時候，我們就可以利于它作任何我們需要的分析。一個信息完整的BIM模型中就包含了絕大部分建筑性能分析所需的數據。

真實的BIM數據和豐富的構件信息給各種綠色建筑分析軟件以強大的數據支持，確保了結果的準確性。目前包括Revit在內的絕大多數BIM相關軟件都具備將其模型數據導出為各種分析軟件專用的GBXML格式。綠色建筑設計是一個跨學科，跨階段的綜合性設計過程，而BIM模型則正好順應此需求，實現了單一數據平臺上各個工種的協調設計和數據集中，使跨階段的管理和設計完全參與到信息模型中來。BIM的實施，能將建筑各項物理信息分析從設計后期顯著提前，有助于建筑師在方案、甚至概念設計階段進行綠色建筑相關的決策。

然而，我國的綠色建筑才剛剛起步，還存在許多問題，對綠色建筑的發展仍然存在許多制約因素。主要是:缺乏綠色建筑的意識和知識、缺乏強有力的激勵政策和法律法規、缺乏系統的標準規范體系、缺乏嚴密的行政監管體系、缺乏合理的城市能源結構等，尤為關鍵的是，缺乏有效的新技術推廣交流平臺，各類綠色建筑相關規范分散于各個專業設計過程中，無總體規劃控制手段和具體實施方法，很難在規劃設計整個過程中對建筑“四節”的影響、建筑與周圍環境的相互作用以及可再生能源利用等方面進行量化分析與評估。目前仍沒有一個完善的輔助設計系統，在規劃、設計、施工、運行各階段對建筑進行定性和定量評估，對綠色建筑的設計與推廣缺乏有效的工具和技術手段。

3 體系的建立

3.1 預評估體系的必要性

當前所應用的評估體系，大多數以后評估為主，一般在建筑投入使用一年后進行。但影響綠色建筑各要素的關鍵往往在于規劃、設計以及施工階段，設計前期的規劃選址、建筑選型、材料選擇、設備選型、技術應用等對綠色建筑的最終結果均起著重要作用，而后評估方式僅對設計結果進行定性和定量評估，無法對前期的設計缺陷進行彌補。預評估體系的建立，一方面可以前瞻性地考慮各設計階段的影響因素，避免設計問題造成的缺陷，另一方面也可以作為一個有效的技術推廣平臺，將綠色建筑設計理念、技術手段、設計方法、新型材料及設備應用融入其中，使設計人員直觀地體驗到綠色設計方式對建筑產品的影響。

3.2 預評估體系建立的難點

預評估體系主要針對設計階段，其評估依據為設計過程中的定量數據。由于各階段所涉及的相關專業、外部條件、設計理念、工作方式等諸多因素的不同，每一個環節對于綠色建筑均產生特定影響。各類綠色建筑相關規范關聯多個專業設計過程，缺乏集成數據體系的規劃控制手段和具體實施方法，很難在整個設計過程中對建筑相關影響數據進行量化分析與評估。

3.3 預評估體系的要素

在綠色建筑設計中需要考慮的典型問題包括:(1)減少不可再生資源耗費和節約資源;(2)提高能源利用效率，使用可再生能源;(3)減少環境污染，保護自然生態;(4)室內環境質量保障;(5)良好的社區環境。針對以上主要問題，綠色建筑預評估系統應建立涵蓋完整設計流程的設計與評估數據一體化建筑數據模型體系，以此為依據在規劃設計階段為各個專業提供相應的設計處理與分析計算工具，并參照相應規范進行檢查與評估，以保證預評估系統在設計過程中對綠色建筑各要素的控制。

3.4 預評估體系結構

實現可進行量化數據分析的預評估系統的前提條件，是涵蓋建筑設計各個階段及各個專業的BIM集成數據體系，其中包括建筑構件、建筑材料等幾何信息及專業設計信息，以及各構件與各專業之間的邏輯數據關系。該體系包括:

(1)建筑設計三維信息BIM模型。針對綠色建筑的設計理念，以BIM建筑信息模型為數據載體，對建筑在規劃設計、材料使用、能源消耗等方面的數據進行存儲、提取、管理與分析。根據計算分析結果，對建筑規劃、設計以及施工方案進行優化與指導，以達到高效地利用能源和資源(節能、節地、節水、節材)，而且最低限度地影響環境的目的。BIM建筑信息模型建立。在綠色建筑設計過程中，對建筑空間幾何信息、建筑空間功能信息、建筑材料以及設備等各專業相關數據信息進行數據集成與一體化管理，作為綠色建筑各項指標分析的基本依據。

(2)建筑數據信息分析及處理。基于三維圖形平臺，對建筑在方案設計、結構體系、材料使用、能源消耗等方面的數據進行提取、計算與分析。依據建立的三維建筑信息模型，并在其中集成各專業相關數據，研究數據交互、處理與分析方法;研究對建筑總體布局、規劃方案、設計方案、結構體系、建筑材料、供熱制冷、溫室效應、人工照明、室內通風、建筑聲環境及日照質量等因素進行數據統計與分析。依據分析結果對綠色建筑設計方案進行量化分析，并根據綠色建筑設計要求對相應各專業設計進行優化調整。

(3)綠色節能建筑分析數據信息可視化表達。基于三維圖形平臺，建立三維可視化建筑模型，并在三維模型中集成相關分析數據;對綠色建筑各項分析數據結果的可視化表達，將分析結果以圖像、圖表、三維狀態模擬等方式進行表述。

4 體系的應用領域

(1)規劃設計方案分析與優化:根據建筑規劃布局、場地分布、建筑單體數據、道路設計、環境設計等信息進行規劃方案的各項經濟技術指標分析，對日照、土地資源利用、綠化方案、區域環境影響等指標進行控制，并根據綠色建筑評價標準等相應規范要求進行方案優化。

(2)節能設計與數據分析:結合國內各種標準規范，基于BIM技術建立建筑能耗分析的三維可視化模型，完成建筑能耗分析模型分析數據生成、建筑能耗分析結果數據的處理與直觀可視化模擬，實現在設計過程中的節能標準預期控制。

(3)建筑遮陽與太陽能利用:根據BIM建筑信息模型數據，結合各地日照數據與標準規范，以數據仿真手段計算真實日照情況及周邊環境，對建筑遮陽板形狀進行方案優化設計;根據建筑物任意表面的全年動態日照情況，結合各地環境數據，計算可進行利用的太陽輻射能量，用于各類太陽能采集、發電與集熱等設備的方案設計與優化設置，實現可再生能源的最大化合理利用。

(4)建筑采光與照明分析:基于BIM建筑信息模型數據，進行周邊環境影響下的建筑室內采光計算分析;根據分析結果周邊環境影響下的室內采光設計優化;根據不同照明設備的參數數據，進行任意形狀的房間三維照度計算和仿真模擬，并依據照明部分相關規范以及實施不同照明方案的能耗計算結果進行方案優化。

(5)建筑室內自然通風分析:結合BIM建筑信息模型數據，建立多區域網絡分析模型。參照國際上通用的熱舒適性評價方法，建立自然通風狀況的評價標準。結合各地區外在、內在因素的影響，進行分析模型建立、模型轉換和模型提取與分析，將分析結果以可視化方式進行動態模擬表達。

(6)建筑室外綠化環境分析:根據植物綠化設計對生態環境的各項影響因素，如調節溫度和空氣濕度、防風固沙、防止水土流失、吸收二氧化碳放出氧氣、吸收有毒氣體、吸滯塵埃、殺菌抑菌、衰減噪聲等，結合三維建筑信息模型數據，列出各項的影響參數，最后納入生態園林的評價標準。

圖1 建筑信息模型

(7)建筑聲環境分析:基于BIM建筑信息模型數據建立模擬聲環境。包括聲場邊界條件的界定、聲源的確定。以一種合理方式建立聲線數量和聲音強度之間的數量關系，根據確定的聲線數量計算聲音的強度對建筑環境的影響，將分析計算結果以可視化方式進行模擬。

(8)建筑小區雨水采集與利用:結合各地的暴雨強度系數以及當地的暴雨強度計算公式，建立一個完整的數據庫，作為雨水采集計算的重要依據。根據各種雨水采集方式中不同地貌和不同材質對確定徑流系數的影響關系以及建筑，道路以及綠地等面積來計算集雨量進行適時調整。

圖11 綠色建筑預評估系統

5 結論

目前，國外CAD軟件廠商所力推的面向對象CAD系統通過BIM建筑信息模型來更全面的反映建筑構信息，這些非幾何信息對于建筑的生命周期是非常重要的。中國建筑科學研究院基于國家863課題成果(2007AA040403)開發的三維圖形系統，已建立了完整的建筑信息模型數據體系，實現了各專業之間圖形及專業數據的共享與交互，并可以包括如構件之間的拓撲連接關系，房屋空間的劃分及其關系等二維CAD所無法表示的抽象概念，這些信息對于綠色建筑設計過程中的建筑方案、結構體系、建筑材料、建筑能耗、建筑環境等的計算與評估提供了必要的分析依據。利用三維數據信息可視化技術，建立多角度的生態技術指標評估與輔助決策機制，可有效實現合理利用土地、材料等有限資源，降低能源消耗，解決建筑對城市與自然環境及氣候的影響，降低聲、光、風等各類污染，同時通過對生態環境指標的分析與評估，提出降低能耗與合理有效利用自然能源的解決方案。采用一系列生態環境信息化技術建立綠色建筑預評估系統，可實現“節地、節能、節水、節材”的目的，為實現城市建設的可持續發展提供強有力的技術支撐。

［1］中華人民共和國建設部.綠色建筑評價標準.北京:中國建筑工業出版社，2006.

［2］中華人民共和國建設部.住宅性能評定技術標準.北京:中國建筑工業出版社，2006.

［3］美國綠色建筑委員會.綠色建筑評估體系.北京:中國建筑工業出版社，2005.

［4］馬智亮.BIM技術及其在我國的應用問題和對策.中國建設信息，2010.

［5］中華人民共和國建筑工業行業標準.建筑對象數字化定義.中華人民共和國建設部，2007.

Computer Realization of Pre-Evaluation System on Green Building

Zhang Lei，Jiang Li，Ye Minqing，Yu Guiyou
(Institution of Building Engineering Software，China Academy of Building Research，Beijing100013，China)

In the 2l century，sustainable development becomes the common theme.For urban construction，development pattern must also be run from the traditional high consumption to green-oriented.Green building is the only way to implement this change and it is also the inevitable trend for today＇s world.Referring to green building design specifications，this paper proposes the way of constructing 3d integrative BIM(building information modeling)by computer technology.It carry out an integrated management for geometric information of building space，functional information of building space，data integration on geometry information，functional information，building materials，equipments and other related professional data in construction.It provides the necessary basis for analysis for the calculation of green building design and evaluation.The green building evaluation based on the“green building rating standards”is realized by using of three-dimensional data visualization technology.It can provide architect with an effective tools for green building design.

Green Building;BIM;Data Visualization;Technical Indicators Evaluation

TU-023;TP391.41

A

1674－7461(2011)01－0031－06

“十一五”國家863課題(2007AA040403)

張雷(1968－)，男，高工。主要研究方向:建筑工程CAD。E-mail:zhanglei@cabrtech.com